中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架研究

清華大學(xué)軟件學(xué)院 BIM課題組

(清華大學(xué)軟件學(xué)院,北京 100084)

1 概述

建筑信息模型(Building In formation Modeling,簡(jiǎn)稱 BIM)技術(shù)創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營管理[1],將各種建筑信息組織成一個(gè)整體,貫穿于建筑全生命周期過程。BIM在中國的全面應(yīng)用將為建筑業(yè)的發(fā)展帶來巨大的效益,使設(shè)計(jì)乃至整個(gè)工程的質(zhì)量和效率顯著提高。BIM將直接促使建筑行業(yè)各領(lǐng)域的變革和發(fā)展;它將使建筑行業(yè)的思維模式及習(xí)慣方法產(chǎn)生深刻變化;使設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營的過程產(chǎn)生新的組織方式和新的行業(yè)規(guī)則。目前,BIM在中國建筑業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)起步,急需對(duì) BIM進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究,方便建筑業(yè)各相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)共享和應(yīng)用 BIM。本文針對(duì)中國 BIM標(biāo)準(zhǔn)框架進(jìn)行研究。

目前,國際上一些發(fā)達(dá)國家對(duì) BIM標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究已經(jīng)開始。1997年 1月,IAI(Industry Alliance for Interoperability)組織發(fā)布了 IFC(Industry Foundation Classes)信息模型的第一個(gè)完整版本[2]。經(jīng)過十余年的努力,IFC信息模型的覆蓋范圍、應(yīng)用領(lǐng)域、模型框架都有了很大的改進(jìn),并已經(jīng)被 ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織接受。IFC標(biāo)準(zhǔn)是面向?qū)ο蟮娜S建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),其在建筑規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、工程施工、電子政務(wù)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。美國基于 IFC標(biāo)準(zhǔn)制定了 BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)——NBIMS(National Building Information Model Standard)[3-5]。NBIMS是一個(gè)完整的 BIM指導(dǎo)性和規(guī)范性的標(biāo)準(zhǔn),它規(guī)定了基于 IFC數(shù)據(jù)格式的建筑信息模型在不同行業(yè)之間信息交互的要求,實(shí)現(xiàn)信息化促進(jìn)商業(yè)進(jìn)程的目的。日本建設(shè)領(lǐng)域信息化的標(biāo)準(zhǔn)為 CALS/EC(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce)標(biāo)準(zhǔn),日本在制定標(biāo)準(zhǔn)方面做出了一些努力,包括:建立建設(shè)領(lǐng)域信息化框架、研制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)、進(jìn)行示范應(yīng)用、進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。日本建設(shè)領(lǐng)域信息化框架的主要內(nèi)容包括工程項(xiàng)目信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、電子招投標(biāo)、電子簽約、設(shè)計(jì)和施工信息的電子提交、工程信息在使用和維護(hù)階段的再利用、工程項(xiàng)目業(yè)績(jī)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)研制和系統(tǒng)開發(fā)基本已經(jīng)完成,并投入使用,原先制定的階段性目標(biāo)已經(jīng)如期實(shí)現(xiàn)。BIM標(biāo)準(zhǔn)的建立不僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升,也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

我國也針對(duì) BIM在中國的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性的研究工作。2007年,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院提出了 JG/T198-2007標(biāo)準(zhǔn),其非等效采用了國際上的 IFC標(biāo)準(zhǔn)(《工業(yè)基礎(chǔ)類 IFC平臺(tái)規(guī)范》)[6]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了建筑對(duì)象數(shù)字化定義的一般要求,資源層,核心層及交互層。它適用于建筑物生命周期中各個(gè)階段內(nèi)以及各階段之間的信息交換和共享,包括建筑設(shè)計(jì)、施工、管理等。水利、交通和電信等建設(shè)領(lǐng)域的信息交換和共享可參考該標(biāo)準(zhǔn)。2008年,由中國建筑科學(xué)研究院、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院等單位共同起草了工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范(國家指導(dǎo)性技術(shù)文件)[7]。此標(biāo)準(zhǔn)等同采用IFC,在技術(shù)內(nèi)容上與其完全保持一致,僅為了將其轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)的制定要求,在編寫格式上作了一些改動(dòng)。香港房屋署 BIM應(yīng)用推動(dòng)有力且較深入,招標(biāo)文件中明確要求用BIM提交文擋,配套研究也很深入,已經(jīng)編制房屋署內(nèi)部 BIM標(biāo)準(zhǔn)(尚未對(duì)外發(fā)布)。

BIM的成功應(yīng)用需要一套整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)各相關(guān)方統(tǒng)一遵循的標(biāo)準(zhǔn)框架體系。為此,我們?cè)谝延泄ぷ骰A(chǔ)上經(jīng)過研究,參考 NBIMS,結(jié)合調(diào)研提出一個(gè)中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架(Chinese Building Information Modeling Standard,簡(jiǎn)稱 CBIMS)。

2 CBIMS總覽

2.1 CBIM S的概念與定位

通過調(diào)研和研究,我們認(rèn)為 BIM在中國的有效應(yīng)用與推廣,依賴于三項(xiàng)重要的推動(dòng)力,分別是:

(1)BIM平臺(tái)軟件的開發(fā)

功能強(qiáng)大和符合應(yīng)用習(xí)慣的軟件工具組成一個(gè)統(tǒng)一的符合建筑產(chǎn)業(yè)規(guī)則應(yīng)用平臺(tái),這是 BIM應(yīng)用成功的前提和動(dòng)力。

(2)BIM數(shù)字化資源的建立

在數(shù)字環(huán)境下建造建筑物體,數(shù)字構(gòu)件是最重要的部件和基礎(chǔ)資源,無論是數(shù)量還是質(zhì)量應(yīng)當(dāng)與實(shí)體建筑完全一致,才易于選用。

(3)BIM應(yīng)用環(huán)境的改善

BIM應(yīng)用成功還取決于硬件環(huán)境的改善及應(yīng)用者的認(rèn)同和認(rèn)可,以及完善的培訓(xùn)和考評(píng)條件。

這三個(gè)方面的全面協(xié)調(diào)發(fā)展,以及建筑業(yè)各相關(guān)方在全生命周期的相互交流和全面溝通不可能靠各企業(yè)、用戶的自發(fā)行為,而是需要在在標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)。即在中國建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的范疇內(nèi)建立符合中國建筑行業(yè)特征的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)。圖1說明了 CBIMS在中國建筑信息化中所處的位置。

圖1 CBIMS在中國建筑信息化中所處的位置

圖2 CBIMS的體系結(jié)構(gòu)

2.2 CBIMS體系結(jié)構(gòu)

CBIMS標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容,如圖2所示:

(1)技術(shù)規(guī)范

即信息交換規(guī)范,包括引用現(xiàn)有國家和國際的標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)中國的標(biāo)準(zhǔn)體系。主要內(nèi)容包括:中國建筑業(yè)信息分類體系與術(shù)語標(biāo)準(zhǔn);中國建筑領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn);中國建筑信息化流程規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)。

(2)解決方案

主要針對(duì)中國 BIM數(shù)字化資源問題,應(yīng)用支持BIM的軟件制作符合《CBIMS框架研究——技術(shù)規(guī)范》中的要求的 BIM數(shù)字構(gòu)件資源。

(3)應(yīng)用指導(dǎo)

主要是協(xié)助用戶理解和應(yīng)用 CBIMS,并利用技術(shù)規(guī)范來制作構(gòu)件,并用我們提出的 CBIMS標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件來搭建和使用 BIM模型。

3 CBIMS技術(shù)規(guī)范

參考 NBIMS標(biāo)準(zhǔn),完整的BIM信息交換有三個(gè)方面,分別為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式;資料庫的規(guī)范;在具體交換過程中的交換需求和規(guī)則(如圖3所示)。CBIMS技術(shù)規(guī)范應(yīng)當(dāng)包括的內(nèi)容應(yīng)該包括:

圖3 CBIMS技術(shù)規(guī)范(參考[3-4])

(1)數(shù)據(jù)交換

即交換格式,是如何共享信息的問題。

(2)信息分類

即引用的信息庫、術(shù)語體系。是共享什么信息問題。

(3)流程規(guī)則

即建筑生命周期某一階段某一專業(yè)需要從整體 BIM中獲取和提交信息的規(guī)則,是如何具體交換信息的問題。

3.1 數(shù)據(jù)交換

在數(shù)據(jù)交換格式方面,我們圍繞國際協(xié)同聯(lián)盟(IAI)的面向建筑對(duì)象的工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)作為主要的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)提出了其它私有的文件和它的兼容要求,以促成建筑業(yè)中不同專業(yè)以及同一專業(yè)中的不同軟件可以共享同一的數(shù)據(jù)源,從而達(dá)到數(shù)據(jù)的共享及交互。IFC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被 ISO組織接納為 ISO標(biāo)準(zhǔn)(ISO/PAS 16739,可出版應(yīng)用版本)。IFC將在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)促進(jìn)信息交流、生產(chǎn)力、交期、成本及質(zhì)量等方面的發(fā)展。它的任務(wù)是為全世界范圍內(nèi)的建筑和設(shè)備管理行業(yè)的發(fā)展提供信息共享和程序改進(jìn)方面的支持和協(xié)作。目標(biāo)是基于現(xiàn)有建筑和設(shè)備管理行業(yè)的信息,對(duì)建筑基礎(chǔ)類進(jìn)行定義。我們可以采用它作為主要的文件交換方式。

3.2 信息分類

建立和制定現(xiàn)代建筑信息分類體系,是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,它需要借鑒和利用已有的分類體系成果,需要很多部門和組織的參與。為了保證體系的科學(xué)性和合理性,必須在制定建筑分類體系的過程中采取科學(xué)的方法。以下從框架和內(nèi)容兩個(gè)方面分析我國建筑信息體系開發(fā)時(shí)應(yīng)采用的方法。

(1)體系框架

國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)為各國建立自己的建筑信息分類體系制定了一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn):IS0/DIS12006-2框架,它定義和規(guī)定了建筑信息分類體系的基本概念和框架。它不是一個(gè)分類體系,但是一個(gè)按建筑信息面分法生成分類體系的模板,為各國根據(jù)自己國情制定相應(yīng)分類體系而又能互相溝通提供了條件,也已經(jīng)成為了英國 UNICLASS、美國 OCCS(OmniClass Construction Classification System)分類體系的基礎(chǔ)。以這個(gè)框架為基礎(chǔ),可以確保所建立的體系具有科學(xué)性和適用性,同時(shí)也有利于各個(gè)國家或地區(qū)之間的體系相互進(jìn)行映射和轉(zhuǎn)換。我們認(rèn)為我國也應(yīng)以此框架為基礎(chǔ)制定建筑信息分類體系。

(2)分類內(nèi)容來源

信息分類的具體內(nèi)容來源于傳統(tǒng)的建筑信息分類體系,是對(duì)傳統(tǒng)體系的改造和重組。建立現(xiàn)代建筑信息分類體系不是憑空創(chuàng)造,而是要充分利用現(xiàn)有分類系統(tǒng)的分類思想和成果。吸收利用傳統(tǒng)體系的另一個(gè)用途在于可以保證新體系的可用性,尤其是對(duì)于那些己有體系的使用者。

建立我國建筑信息分類體系的可利用資源主要是國內(nèi)己有的分類體系,如定額體系、建筑文獻(xiàn)分類體系、建筑產(chǎn)品目錄等。由前面的分析可以知道我國己有體系存在很多問題,利用這些體系必須要做很多工作。

3.3 流程規(guī)則

在使用交換規(guī)則和關(guān)聯(lián)方面,一些協(xié)議正在制定和完善中,ISO制定了 TC 59/SC 13標(biāo)準(zhǔn),它包括面向?qū)ο蟮男畔⒔粨Q框架、過程管理、建筑信息模型 -信息傳遞手冊(cè),以及 BIM指導(dǎo),挪威正在進(jìn)行信息傳遞指南(IDM)項(xiàng)目,而這個(gè)項(xiàng)目的方法也被美國 NBIMS委員會(huì)采納。我國也需要根據(jù)實(shí)際情況來制訂常用的流程規(guī)則。

4 CBIMS解決方案

制作符合 CBIMS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化建筑構(gòu)件資源,不同的 BIM可以通過不同的方式來完成,每個(gè)構(gòu)件資源可以具有不同的尺寸、形狀、材質(zhì)設(shè)置或其他參數(shù)變量,需要符合 CBIMS技術(shù)規(guī)范中對(duì)數(shù)字構(gòu)件的要求。例如 Autodesk Revit可以使用族編輯器創(chuàng)建各種需要的構(gòu)件資源。

CBIMS技術(shù)規(guī)范中目前制訂了以下標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件:梁 、柱 、結(jié)構(gòu)件 、墻 、幕墻 、屋頂 、板 、片 、門 、窗 、樓梯 、樓梯段、坡道、坡道段、扶手。這些構(gòu)件基本滿足了建筑設(shè)計(jì)階段的需求。對(duì)于建筑生命周期中的其它階段所需要的構(gòu)件,CBIMS尚未進(jìn)行定義。但CBIMS是一個(gè)可擴(kuò)展的體系,在未來的研究過程中,可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件進(jìn)行擴(kuò)充直至覆蓋建筑的全部領(lǐng)域。

標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件中的“標(biāo)準(zhǔn)”至少包含 3方面含義:

(1)構(gòu)件是在 CBIMS中已定義的(如家具中的書桌尚沒有在 CBIMS中定義,因此不屬于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件);

(2)應(yīng)當(dāng)包含 CBIMS為該類構(gòu)件定義的全部屬性;

(3)構(gòu)件在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)兼容已頒布的國家強(qiáng)制性制圖標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件是指一種存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的可重用數(shù)字資源,這些資源依據(jù)上述要求進(jìn)行制作,含有適當(dāng)程度的信息以滿足虛擬建筑在各處理流程中的需求,并且在一定的約束條件下用戶可以自行進(jìn)行信息擴(kuò)充。

CBIMS為構(gòu)件定義了三個(gè)級(jí)別的屬性:強(qiáng)制、可選和自定義。一般地,強(qiáng)制以及可選等級(jí)的屬性應(yīng)當(dāng)滿足從設(shè)計(jì)、建造到運(yùn)營管理等不同設(shè)計(jì)階段的普遍要求。對(duì)于用戶的特殊需求,CBIMS預(yù)留了自定義級(jí)別屬性,用戶可以按實(shí)際情況自行添加。

為了確保不同軟件之間數(shù)據(jù)交互的一致性,CBIMS要求 BIM軟件在應(yīng)用時(shí)必須能夠讀入/讀出強(qiáng)制以及可選等級(jí)的全部構(gòu)件屬性。對(duì)于用戶自定義屬性的交互性,由各 BIM軟件自行協(xié)調(diào)解決。CBIMS在修訂時(shí)會(huì)依據(jù)用戶的反饋意見吸收部分自定義屬性為強(qiáng)制或可選屬性。

使用構(gòu)件進(jìn)行建筑建模后導(dǎo)出施工圖時(shí)應(yīng)當(dāng)符合已頒布的國家制圖標(biāo)準(zhǔn),如:《總圖制圖標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50103-2001)》、《建筑制圖標(biāo)準(zhǔn) (GB/T 50104-2001)》、《房屋建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50001-20001)》、《建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定建質(zhì)[2008)216號(hào)》、《給水排水制圖標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50106-2001》、《供熱工程制圖標(biāo)準(zhǔn) CJJ/T 78-97》、《暖通空調(diào)制圖標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50114-2001》等。建筑構(gòu)件的屬性應(yīng)當(dāng)涵蓋如下已頒布的國家設(shè)計(jì)規(guī)范,以利于對(duì)建筑性能進(jìn)行分析,如:《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50033-2001》、《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GBJ 121-88》、《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50378—2006》、《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)JGJ 26-95》、《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 134-2001》、《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 75-2003》等。在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)時(shí),我們參考了如下較具有權(quán)威性的建筑資料圖集,如:《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集》、《建筑構(gòu)造通用圖集》、《建筑設(shè)計(jì)資料集》等。

5 CBIMS應(yīng)用指導(dǎo)

5.1 構(gòu)件制作

根據(jù)已有的技術(shù)規(guī)范中制定的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件:梁、柱 、結(jié)構(gòu)件 、墻 、幕墻 、屋頂 、板 、片 、門 、窗 、樓梯 、樓梯段、坡道、坡道段、扶手,制定構(gòu)件的制作教程。構(gòu)件族的制作過程大概流程如圖4所示:

圖4 數(shù)字化構(gòu)件制作流程示意圖

5.2 模型應(yīng)用

符合 CBIMS的建筑信息模型可以進(jìn)行符合中國現(xiàn)有規(guī)范的各種分析和應(yīng)用。在我國節(jié)能設(shè)計(jì)和日照要求現(xiàn)今已經(jīng)成為了強(qiáng)制性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的二維建筑圖紙很難提供建筑能量分析所需要的全面的信息,往往需要設(shè)計(jì)人員重復(fù)輸入設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù),效率低,容易出錯(cuò)。符合 CBIMS的建筑信息模型可以進(jìn)行根據(jù)流程規(guī)則導(dǎo)入/出符合中國現(xiàn)有規(guī)范的各種建筑物理性能分析的信息模型(包括幾何以及建筑屬性信息)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合中國 BIM研究現(xiàn)狀提出了一個(gè)中國的建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)(CBIMS)框架,并對(duì)其組成及各部分相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的介紹。通過對(duì)國內(nèi)部分 BIM研究和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜艺{(diào)研形成共識(shí):中國BIM標(biāo)準(zhǔn)的研究是極其重要和迫切的,其內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是一個(gè)開放的綜合體系,它將是 BIM全面推廣的重要的基礎(chǔ)研究。

7 致謝

本課題得到國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2007AA040401)和國家自然科學(xué)基金(U0970155)資助。CBIMS框架的研究也得到了課題組實(shí)證基地 CCDI中建國際設(shè)計(jì)北京公司、歐特克中國研究院的大力協(xié)助。

[1]Eastman C.,Teicholz P,Sacks R,Liston K.BIM Handbook.New Jersey,USA:John Wiley ＆Sons,Inc.,2008.

[2]IFC Model.Industrial Foundation Classes,International Alliance for Interoperability,2008.

[3]NBIMS,(2006),National BIM Standard Purpose,US National Institute of Building Sciences Facilities Information Coun-cil,BIM Committee.

[4]NBIMS(2007),National Building Information Modeling Standard Part-1:Overview,Principles and Methodologies,USNational Institute of Building Sciences Facilities Information Council,BIM Committee.

[5]Bazjanac V.Im pact of the U.S.National Building In formation Model Standard(NBIMS)on Building Energy Performance Simulation.In Proceeding of Building Simulation 2007,Beijing,China,pp 1377-1382.

[6]建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.建筑對(duì)象數(shù)字化定義(JG/T 198-2007).中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[7]中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院.工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2009年.